JP2005254424A - 超音波重畳型加工液供給ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】加工点までの距離が遠い場合や、ノズル配置に十分なスペースが無い場合や、加工液供給部位が入り組んだ部位にある場合などにおいても確実に加工液を供給することができ、また、特別な空気抜き経路機構をつけなくても、振動子が存する室の空気溜まりとそれによる振動子の加熱損傷防止をはかることができる超音波重畳型加工液供給ノズルを提供する。
【解決手段】液体の導入口を有するとともに前記導入口と通じる空間の背部に超音波振動子を設け、前記超音波振動子によりメガヘルツ帯域の超音波振動を液体に重畳させ、テーパー状空間の先端側から噴出させるノズルであって、テーパー状空間Ｂの先端側に、途中に曲がり部３１を有する硬質な管状ノズル部３ｃを連設した。
【選択図】図２

Description

本発明は、加工液にメガヘルツ帯域の超音波振動を重畳させて加工ポイントなどに供給するためのノズル関するものである。

除去加工においては、高品質加工、高能率加工（高生産性）、複雑加工、難加工材加工、低コスト加工が課題であるが、近年はこれに加えて地球環境への配慮から環境にやさしい加工技術の開発が求められている。
除去加工には、従来、多量の加工液が使用されており、環境への配慮という観点から、ドライ、あるいはセミドライ研削加工などが開発されている。しかし、特殊な冷風装置やミスト発生装置が必要なことに加え、種々の被加工材種に対する加工条件の選択が必ずしも容易ではなく、また、生産コストに直結する能率などの点でいまだ十分とはいえなかった。

そこで、本発明者の一人は、種々の加工液（研削液、切削液、放電加工液など）に振動エネルギを重畳させて各種加工を行うメガソニッククーラント加工法を提案し、その手段として、加工液を流通させつつそれにメガヘルツ帯域の超音波振動を重畳させる形式のノズル(メガソニッククーラントノズル)を提案した。

このノズルは、加工液の導入方向と直交する後部(背部)に超音波振動子を取り付け、超音波振動子の振動方向にある吐出口に向う加工液に振動加速度を重畳するのであり、特性として、物体への巻付き効果、狭小部への浸入効果、微細屑引き剥がし効果、加工点の冷却効果、潤滑促進効果、シールド効果、電気的・化学的特性改善効果が得られる。
このため、切削、研削、研磨といった除去加工に適用した場合、加工液使用量の低減、加工面性状の向上、工具摩耗の抑制、加工精度の向上、加工能率の向上を図ることが可能であり、加工能率や加工品位を落とさずに加工液量を大幅に減じ得る環境にやさしい加工技術であると評価されている。

しかし、従来のこの種のノズルでは、振動子４によって加振された液体が円錐状空間Ｂの先端部側より噴射されるが、図１(ａ)のように、吐出口Ｃが円錐状空間の先端で短く開口しているだけであったので加工液の到達距離が短く、加工点までの距離が遠い場合、ノズル配置に十分なスペースが無い場合、加工液供給部位が入り組んだ部位にある場合に、確実に要求されるポイントへ加工液を供給することが困難であるという問題があった。

また、従来のノズルは下向きにしか使えないので、メガヘルツ帯域の超音波振動を液体に重畳させると、液体から気泡Ｅ（主として空気）が排出され、図１(ｂ)のようにノズル内に溜まって振動子４の表面を覆い、その結果、振動子が過熱され、破損するトラブルが発生しやすかった。
これを避けるには、空気抜き経路を別途設ける必要があり、構造が複雑になったり、排出用経路部品がホースの形で外部に張出すので、大型になって使用上の制限を受けたりする問題がある。

本発明は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、加工点までの距離が遠い場合や、ノズル配置に十分なスペースが無い場合や、加工液供給部位が入り組んだ部位にある場合などにおいても確実に加工液を供給することができ、また、特別な空気抜き経路機構をつけなくても、振動子が存する室の空気溜まりとそれによる振動子の加熱損傷防止をはかることができる超音波重畳型加工液供給ノズルを提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、上記に加え、振動子から吐出口までの距離が長くても振動減衰が少ないとともに初期の振動伝達特性を半永久的に維持でき、また、被対象物にコンタミネーションを生じさせず、かつ用途に応じた形状、寸法を容易に製作できる超音波重畳型加工液供給ノズルを提供することにある。

また、本発明の第３の目的は、上記に加え、スラリー状の加工液を用いても振動子の摩耗が生じない超音波重畳型加工液供給ノズルを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の超音波重畳型加工液供給ノズルは、液体の導入口を有するとともに前記導入口と通じる空間の背部に超音波振動子を設け、前記超音波振動子によりメガヘルツ帯域の超音波振動を液体に重畳させ、テーパー状空間の先端側から噴出させるノズルであって、テーパー状空間の先端側に途中に曲がり部を有する硬質な管状ノズル部を連設したことを基本的特徴としている。

なお、本発明において「加工液」とは、研削液、切削液、ラッピング液、放電加工液、洗浄用液、冷却液、反応促進液など広範囲なものを含み、液の組成や成分は問わないので、エマルジョン液、ストレートオイル、スラリーなど各種のものを含む。
適用される用途も、例えば、超硬合金、スタバックス、光学ガラス、石英ガラス、サファイア、ステンレス鋼などの精密研削（一部切削）加工、難加工材の旋削／穴あけ、溝彫り加工、超微細加工半導体などのスピン洗浄など種類を問わない。

本発明によれば、テーパー状空間の先端側に途中に曲がり部を有する管状ノズル部を連設しているので、加工具とワークの状況に即応させつつ障害を避けることができ、テーパー状空間の先端に吐出口をあけただけのこの種のノズルでは到達不可能な所望の位置に超音波重畳液を確実に供給することができる。
また、管状ノズル部が途中に曲がり部を有するため、管状ノズル部の手前のノズル本体部分を、振動子が下部にあるように縦向きに位置させても超音波重畳液をポイントに供給でき、液に含まれる気体が振動子部位で溜まる現象を回避できるので、振動子の加熱による故障が起こらず、しかも、特別な空気抜き経路構造や部品の付加を要さないので、コンパクトなノズル形態とすることができる。

第２の目的を達成するため本発明の超音波重畳型加工液供給ノズルは、テーパー状空室を画成する部分と管状ノズル部または少なくとも管状ノズル部がガラス質で構成されていることを特徴としている。

これによれば、テーパー状空室を画成する部分または少なくともパイプ部分がガラス質で構成されているので、硬質で滑らかな表面性状であることにより超音波振動の減衰が少なく、かつ、酸化しないため初期の振動伝達特性を半永久的に維持でき、伝達特性が優れるため、曲がり部を含めて全長を長くしても、メガヘルツ帯域の超音波振動の重畳された液体を、大きなパワーをもって供給できる。
また、金属や高分子材料と異なり被対象物にコンタミネーションを生じさせない利点もあり、さらに、透明であるため内部の液体の状態を観察でき、加熱軟化により曲げ加工や絞り加工あるいは先細加工が容易に行えるため、使用状況に即したノズル形状や寸法のものとすることができる。

第３の目的を達成するため本発明の超音波重畳型加工液供給ノズルは、ノズル室内を隔膜で２室に仕切り、振動子を配した第１室には冷却水の導出入部を設け、円錐状空室の先端に連なる第２室には加工液の導入口を設けたことを特徴としている。

この構成によれば、振動子を配した第１液室に水道水などを流通させつつ振動子を超音波振動させることにより、第２室に導入されている砥粒混合スラリー液に隔膜を通して超音波振動が重畳される。したがって、振動子が直接スラリーに接して損耗することがなくなり、安価な隔膜を交換するだけで済むので、スラリー使用によるメリットを十分に発揮させながら、ランニングコストを低減することができる。

図２は本発明による超音波重畳型加工液供給ノズルの一実施例を示し、図３はその使用例を示している。
１は加工手段(この例では砥石)、２はワーク、３は本発明にかかる超音波重畳型加工液供給ノズルである。
前記超音波重畳型加工液供給ノズル３は、円筒状の空室Ａを画成した胴部３ａと、前記空室Ａに連通する反射用兼絞り用のテーパー状空室Ｂを画成したテーパー部３ｂとを有している。

前記胴部３ａには軸線方向と直角状に液導入口３００が開口されており、これよりも後方で前記空室Ａの底部に相当する部位には、ディスク形の振動子４が配置されている。
前記液導入口３００には、図３のように、加工液供給源５のポンプ６からの液供給ホース６０が接続されており、振動子４は導線を介して超音波発振器７に接続され、メガヘルツ級の周波数の超音波により、液導入口３００から連続的に送り込まれる加工液に3160000ｍ/ｓ²以上の加速度を重畳させてテーパー状空室Ｂに排出するようになっている。この点で、キャビテーションを利用するｋＨｚ帯域の超音波振動を重畳するキロソニッククーラントとは異なっている。

そして、前記テーパー状空室Ｂの先端には、本発明で特徴とする管状ノズル部３ｃが連設している。管状ノズル部３ｃは、テーパー状空室Ｂの先端穴径をもって軸線方向に伸びる直線部(ストレート部)３０と、これの穴径と同じ穴径でかつ直線部の軸線と交差する方向に伸びる曲がり部３１を有しており、曲がり部３１から先には再び所望長さの先端部３２が形成され、これに吐出口３２０が開口している。しかし、管状ノズル部３ｃはホースのように可曲性のあるものであってはならず、硬質で前記した形状に固定されたものであることが必要である。
管状ノズル部３ｃは、超音波振動を効率よく加工液に重畳しつつ遠い距離に送るために、穴長さをＬとし、穴直径をＤとした場合、１５０≧Ｌ／Ｄ≧１０であることが好ましい。あまり長すぎると超音波振動が減衰し、また供給先に臨ませたときに、管状ノズル部が撓んだり不安定になって、砥石などの加工手段と接触して破損したりする恐れがあるからである。

前記曲がり部３１は、図２の例では丸み付きのＬ状をなしているが、これに限らず、図４ (a)のようにＵ状をなしていてもよく、あるいは同図(ｂ)のように９０度以下の所望の角度θで曲げられていてもよく、同図(ｃ)のように複数段形成されていてもよい。

前記曲がり部３１よりも先の先端部３２は通常の場合、直線状であるが曲率を有していてもかまわない。吐出口３２０まで内径を同一としてもよいが、図５（ａ）のように、内径が緩やかに絞られた細径吐出口としてもよい。このように先端先細りにすれば、超音波振動の重畳された液体を微小スポットに供給できる。
また、同図（ｂ）のように、幅広吐出口としてもよい。こうすれば、超音波振動の重畳された液体を幅の広い面に供給することができる。

図２の実施態様では、反射用兼絞り用のテーパー状空室Ｂを内部に設けたテーパー部３ｂとこれに続く管状ノズル部３ｃが一部材（第１部材）で構成され、内部に円筒状の空室Ａを画成した胴部３ａだけの他部材（第２部材）と連結されて超音波重畳型加工液供給ノズル３を構成している。

図２では、第１部材のテーパー部後端にフランジ３３を一体に形成しており、このフランジ３３に管状ノズル部３に外挿した固定用リング８を嵌め込み、これを第２部材の先端面に当て、上面からボルト９を固定用リング８を貫いて第２部材にねじ込むことで結合している。

しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、図６（ａ）のように、固定用リング８を第２部材の外周に螺合してもよい。また、同図（ｂ）のように第１部材のテーパー部後端に形成したフランジ３３を第２部材の先端面に当て、上面からボルト９で固定してもよい（ボルト結合）。あるいは、同図（ｃ）のように、第１部材のテーパー部後端にネジ部３４を形成し、これを第２部材と内ネジ式あるいは外ネジ式に螺合してもよい（ネジ結合）。

さらには、図７のように、反射用兼絞り用のテーパー状空室Ｂを内部に設けたテーパー部３ｂと、これに続く管状ノズル部３ｃと、内部に円筒状の空室Ａを画成した胴部３Ａを一部材として一体に形成してもよく、この場合、振動子４は胴部後端の開口部分に固定した栓部材１０で支持させる。

また、これらに代えて、図８のように、管状ノズル部３ｃをテーパー部３ｂと独立した別部材で構成し、管状ノズル部３ｃをテーパー部３ｂに着脱可能ないし交換可能に連結してもよい。あるいはまた、一体的に結合していてもよい。
図８（ａ）は、管状ノズル部材３ｃの直線部３０をテーパー部３ｂの先端開口内に摩擦力で押し込み、ねじ込みして着脱可能にし、あるいは接着、ロウ付けなどによりインナー結合したものである。同図（ｂ）はアウター結合したもので、管状ノズル部材３ｃの後端部分に環状ボス３５を設け、これをテーパー部３ｂの先端部外周に外嵌し、摩擦力で固定、ねじ込みして着脱可能にし、あるいは接着、ロウ付けで一体化したものである。同図（ｃ）は管状ノズル部材３ｃの後端部分にリングナット１２を嵌め、これをテーパー部３ｂの先端部外周の雄ねじと螺合することで着脱を可能にしたものである。

本発明において、胴部３ａとテーパー部３ｂおよび管状ノズル部３ｃ（管状ノズル部部材を含む）は種々の材質を採用することができ、また２種以上を組み合わせることができる。すなわち、胴、アルミニウム、ステンレス、鉛などの金属のほか、ガラスやセラミックなどの無機材料、あるいは硬質プラスチックなどが挙げられる。

このうち、好適なものの一つはガラス質である。この利点は、次のとおりである。１）硬質で、表面粗さが良好であるため、振動の減衰が少なく、超音波振動の集中度を高くすることができる。２）透明であるため内部の液体の状態を観察できる。３）加熱軟化により曲げ加工や絞り加工が容易に行えるため、図２や図４で挙げたような所望の曲がり部３１を現場で簡単に得ることができたり、図５のような先端形状を容易に加工でき、用途にあったノズル形状や寸法を作製できる。４）金属と異なり酸化しないため初期の振動伝達特性を半永久的に維持できる。５）金属や高分子材料と異なり被対象物にコンタミネーションを生じさせない。

ガラス質やあるいはセラミック質は強度的に金属質に比べて弱いので、ガラス質やあるいはセラミック質でテーパー部３ｂおよび管状ノズル部３ｃを構成した場合、胴部材との結合方式はたとえば、図２、図６（ａ）が好適である。また、ガラス質やあるいはセラミック質で管状ノズル部を構成した場合、テーパー部３ｂとの結合方式はたとえば図８である。
なお、金属質で管状ノズル部３ｃを構成した場合、スウェージング法などで曲がり部や先端形状部を加工すればよい。

図９は本発明の他の態様を示している。この態様は、加工液が砥石粒などの粒子を含んだスラリー状である場合などに好適であり、胴部内または胴部３ａとテーパー部３ｂとの間に非浸透性の隔膜１４を張設し、これを境に振動子４を配した第１室Ａ1と出口側の第２室Ａ２を画成し、第１室Ａ１に対応する外壁には冷却水の導出入部３１０、３１１を設け、第２室Ａ２には加工液の導入口３００を設けている。
この態様における各部の結合方式は、既述した図５ないし図８に示した各態様を選択することができ、材質についても既述したものを選択できる。

本発明の超音波重畳型加工液供給ノズル３の使用法と作用を説明すると、振動子４を超音波発振器７と接続し、管状ノズル部３ｃの先端を所望のポイントに向けて位置させ、加工液供給源５から所望の加工液をポンプ６で圧送しつつ、超音波発振器７からの電圧で振動子４をメガヘルツ（１〜１０ＭＨｚ）の周波数で振動させる。これにより、加工液は筒室内で前記超音波振動が重畳され、著しく加速されながらテーパー状室Ｂを通過し、管状ノズル部３ｃを通って先端の吐出口３２０から噴出される。

図２は切削ないし研削加工に適用した例であり、砥石1とワーク２の隙間に管状ノズル部３ｃを挿入している。管状ノズル部３ｃが途中に曲がり部３１を有した長い形状であるため、隙間の奥まで進入され、図１の従来型と比べ加工ポイントにきわめて近い位置から強い圧力で加工液が確実に到達される。したがって、目詰り抑制、加工点の冷却、屑の排出、微細な凹凸の内部に入り込み、微細な粒子の除去等の効果を高いものとすることができる。

また、本発明のノズルは、管状ノズル部３ｃが途中に曲がり部３１を有していることから、胴部３ａを上向き姿勢にして使用することができる。
図１０は穴あけに適用した例であり、図１１は半導体などのワークのスピン洗浄に適用した例であり、いずれも胴部３ａを上向き姿勢としたまま、加工ポイントに集中的に超音波重畳液を供給できている。
このようなことから、超音波重畳に伴い加工液に含まれている空気などの気体Ｅが排出されても、振動子４にはまとわり付かず、振動子が加熱されない。

また、本発明は、管状ノズル部３ｃが途中に曲がり部３１を有していることから、図１２のようにサイドからでも超音波重畳液を供給できる。したがって、加工部位が入り組んでいたり、狭隘であったりしても、確実に超音波重畳液を供給できる。

（ａ）は従来のノズルの使用状態を示す側面図、（ｂ）は使用時の気体の影響を示す説明図である。 本発明の超音波重畳ノズルの一態様を示す断面図である。 本発明の超音波重畳ノズルの使用例を示す側面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ管状ノズル部の曲がり部例を示す側面図である。 （ａ）（ｂ）は管状ノズル部の先端形状例を示す部分切欠側面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）はノズルを構成する胴部とそれより先の部分の結合例を示す部分切欠側面図である。 一体型の結合例を示す部分切欠側面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）はノズルを構成するテーパー部と管状ノズル部の取り合い例を示す部分的断面図である。 本発明ノズルの他の態様を示す部分切欠側面図である。 本発明ノズルの使用例を示す側面図である。 本発明ノズルの使用例を示す側面図である。 本発明ノズルの使用例を示す平面図である。

符号の説明

３ 本発明ノズル
３ａ 胴部
３ｂ テーパー部
３ｃ 管状ノズル部
４ 振動子
３１ 曲がり部
Ａ1 第１室
Ａ２ 第２室

Claims (3)

1. 液体の導入口を有するとともに前記導入口と通じる空間の背部に超音波振動子を設け、前記超音波振動子によりメガヘルツ帯域の超音波振動を液体に重畳させ、テーパー状空間の先端側から噴出させるノズルであって、テーパー状空間Ｂの先端側に、途中に曲がり部３１を有する硬質な管状ノズル部３ｃを連設したことを特徴とする超音波重畳型加工液供給ノズル。
2. テーパー状空室を画成するテーパー部分３ｂと管状ノズル部３ｃまたは少なくとも管状ノズル部３ｃがガラス質で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波重畳型加工液供給ノズル。
3. ノズル室内を隔膜で２室に仕切り、振動子４を配した第１室Ａ１には冷却水の導出入部を設け、テーパー状空室の先端に連なる第２室Ａ２には加工液の導入口を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波重畳型加工液供給ノズル。

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